(57)【要約】【課題】スケール剥離性に優れ、スケール及びサブスケールに起因する表面疵の少ない表面性状を備えたＣｒ含有鋼の製造方法を提供する。【解決手段】Ｓｉ：０．０５〜０．４質量％、Ｃｒ：０．１〜２．０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるＣｒ含有鋼からなる鋼片を、デスケーリング処理の直前に加熱処理する際に、加熱処理温度を１０００〜１１５０℃とし、加熱処理温度での保持時間を１〜３０分とし、加熱処理雰囲気をＨ２Ｏ［水蒸気］：２５〜３０体積％、Ｏ２：１〜１０体積％を含み残部をＮ２及び不可避ガス成分とすることにより、スケール剥離性に優れるＣｒ含有鋼を製造する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：０．０５〜０．４質量％、Ｃｒ：０．１〜２．０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるＣｒ含有鋼からなる鋼片を、デスケーリング処理する直前に加熱処理する際に、
加熱処理温度を１０００〜１１５０℃とし、前記加熱処理温度での保持時間を１〜３０分とし、加熱処理雰囲気をＨ２Ｏ［水蒸気］：２５〜３０体積％、Ｏ２：１〜１０体積％を含み残部をＮ２及び不可避ガス成分とすることを特徴とするスケール剥離性に優れるＣｒ含有鋼の製造方法。
【請求項２】
前記Ｃｒ含有鋼は、任意成分として、Ｃ：０．０２〜１．０質量％、Ｍｎ：０．２質量％以上３．０質量％未満、Ｍｏ：０．３質量％以下、から選択される少なくとも１種類の元素を含有することを特徴とする請求項１に記載のスケール剥離性に優れるＣｒ含有鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スケール剥離性に優れるＣｒ含有鋼の製造方法に関し、より詳しくは、優れたスケール剥離性に起因して表面疵の少ない良好な表面性状を有するＣｒ含有鋼からなる条鋼材を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＩＳ  Ｇ４０５３に属するＳＣＲ４２０，ＳＣＭ４３５等の機械構造用合金鋼鋼材や、ＪＩＳ  Ｇ４８０５に属するＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼鋼材よりなる条鋼材に対して求められる表面品質は、年々厳しくなってきている。このような条鋼材では、製造過程における熱間圧延仕上がり後に、微細な表面疵や肌荒れ等の表面欠陥が発生することがある。特にＳｉ，Ｃｒ等の酸化しやすい合金元素を多く含む鋼種では、加熱過程や圧延過程において合金元素を含む鉄酸化物（以下「サブスケール」といい、サブスケールはスケールの一部である）がスケール最下層（地鉄界面付近）に生成する。このサブスケールはスケールと地鉄との密着性を高める作用があるため、高圧水を用いたデスケーリング（以下「高圧水デスケーリング」という）によるスケールの除去を困難とする。こうしてスケールが地鉄表面に残った状態で圧延されると、スケールは地鉄内に押し込まれてスケール疵となり、条鋼材の品質を悪化させることとなる。
【０００３】
特に、加熱炉を用い、その炉内温度を１２００℃未満として行う加熱処理において生成するサブスケールは、緻密で薄く、地鉄との密着性が高いことから、通常の高圧水デスケーリングでは、その除去は極めて困難である。そこで、高圧水デスケーリングによるスケール剥離性を向上させる１つの方法として、条鋼材に直接に水を供給しながら、炉内温度を１２００℃以上として条鋼材を加熱処理し、その後、高圧水デスケーリングと圧延処理とを逐次行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、スケール剥離性を向上させる別の方法として、加熱炉へ水蒸気を供給しながら条鋼材を加熱処理する方法において、加熱処理温度と水蒸気濃度とを２段階で変えた加熱処理方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−３１６２０７号公報
【特許文献２】特開２００３−１１９５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されているように１２００℃以上で条鋼材の加熱処理を行う場合には、スケールロスが増大し、また、エネルギー原単位が増加するという問題がある。また、条鋼材の加熱処理は一般的に１１００℃前後で行われることから、他の鋼材と区別して加熱処理を行う必要が生じるため、生産管理が複雑になり、また、炉内温度の変更に要する時間の間は生産が中断するために生産性が低下するという問題が生じる。さらに、専用の加熱炉が必要になる等、設備コストが増大するという問題がある。一方、特許文献２に開示された方法では、ＳＣＭ４３５からなる条鋼材のスケール剥離性は向上するが、ＳＵＪ２及びＳＣＲ４２０からなる条鋼材のスケール剥離性は向上せず、適用可能範囲が限られるという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、スケール剥離性に優れるＣｒ含有鋼の製造方法を提供することを目的とするものであり、スケールに起因する表面疵の少ない良好な表面性状を備えたＣｒ含有鋼を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るスケール剥離性に優れるＣｒ含有鋼の製造方法は、Ｓｉ：０．０５〜０．４質量％、Ｃｒ：０．１〜２．０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるＣｒ含有鋼からなる鋼片を、デスケーリング処理する直前に加熱処理する際に、加熱処理温度を１０００〜１１５０℃とし、前記加熱処理温度での保持時間を１〜３０分とし、加熱処理雰囲気をＨ２Ｏ［水蒸気］：２５〜３０体積％、Ｏ２：１〜１０体積％を含み残部をＮ２及び不可避ガス成分とすることを特徴とする。
【０００７】
このように、加熱処理温度を１０００〜１１５０℃とすること（条件ａ）によって、スケールロスを小さく抑えることができる。また、この加熱処理温度は一般的な鋼材の加熱処理温度の範囲内であるため、専用設備を必要とすることないため、製造コストを低く維持することができる。さらに、保持時間を１〜３０分とすること（条件ｂ）により、必要なスケール剥離性を確保しながら、エネルギー原単位の増加による製造コストの上昇やスケールロスの増大を回避することができる。また、Ｎ２にＨ２Ｏ［水蒸気］：２５〜３０体積％とＯ２：１〜１０体積％とを添加した加熱処理雰囲気とすること（条件ｃ）により、地鉄との剥離性に優れるＦｅＯ層を形成することができるため、各種鋼材に対して良好なスケール剥離性を得ることができる。
【０００８】
なお、鋼片の加熱処理の最初から最後までを前記条件ａ〜ｃで行わなければならないものではなく、鋼片の加熱処理の少なくとも後半部を前記条件ａ〜ｃで行うことにより、スケール剥離性に優れるＣｒ含有鋼を製造することができる。また、所定条件での加熱処理の後に、さらに前記条件ａ〜ｃによる加熱処理を行うことにより、スケール剥離性を向上させることができる。
【０００９】
本発明に係るＣｒ含有鋼の製造方法においては、Ｃｒ含有鋼が、任意成分として、Ｃ：０．０２〜１．０質量％、Ｍｎ：０．２質量％以上３．０質量％未満、Ｍｏ：０．３質量％以下、から選択される少なくとも１種類の元素を含有することが好ましい。
【００１０】
前記規定量のＣを含有することにより強度を高めることができ、前記規定量のＭｎを含有することにより強度と靭性を高めることができ、前記規定量のＭｏを含有することにより強度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、優れたスケール剥離性が得られることにより、微細な表面疵や肌荒れ等の表面欠陥の少ない表面性状に優れた条鋼材を製造することができ、その際にスケールロスを小さく抑えることができ、エネルギー原単位を低く抑え、さらに専用の加熱処理設備を必要としないこと等から、製造コストや設備コストを低く抑えることができる。さらに本発明は、多種の鋼材に適用することができるという利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本発明に係るＣｒ含有鋼の製造方法では、Ｓｉ：０．０５〜０．４質量％、Ｃｒ：０．１〜２．０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるＣｒ含有鋼からなる鋼片（条鋼材、鋼板）を加熱処理する際に、下記条件ａ〜ｃが満たされるようにする。
（条件ａ）加熱処理温度を１０００〜１１５０℃とする。
（条件ｂ）加熱処理温度での保持時間を１〜３０分とする。
（条件ｃ）加熱処理雰囲気をＨ２Ｏ［水蒸気］：２５〜３０体積％、Ｏ２：１〜１０体積％を含み残部をＮ２及び不可避ガス成分とする。
【００１３】
条件ａ〜ｃを満たした加熱処理の具体例は、鋼片の熱間圧延前に行われるデスケーリング処理の直前に行われる均熱処理である。この場合、鋼片は、均熱処理→デスケーリング処理（例えば、高圧水デスケーリング）→熱間圧延の順序で処理される。以下、前記各要件を分説する。
【００１４】
《Ｃｒ含有鋼》
本発明が適用されるＣｒ含有鋼は、前記した所定量のＳｉ，Ｃｒを含むものである。これらＳｉ，Ｃｒは、加熱処理による酸化によってスケールを構成する成分であり、スケール剥離性に大きな影響を与える。また、このＣｒ含有鋼は、任意成分として、Ｃ：０．０２〜１．０質量％、Ｍｎ：０．２質量％以上３．０質量％未満、Ｍｏ：０．３質量％以下、から選択される少なくとも１種類の元素を含有していることが好ましい。これらは、Ｃｒ含有鋼の強度や靱性に影響を与える。
【００１５】
具体的なＣｒ含有鋼としては、ＪＩＳ  Ｇ４０５３に属するＳＣＭ４１５〜４４５，ＳＣＲ４１５〜４４５等の機械構造用合金鋼鋼材やこれらと同等の組成を有するＨ鋼（ＳＣＭ４１５Ｈ〜４４５Ｈ，ＳＣＲ４１５Ｈ〜４４５Ｈ（ＪＩＳ  Ｇ４０５２））、ＪＩＳ  Ｇ４８０５に属するＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼鋼材が挙げられる。
表１に代表的なＣｒ含有鋼の鋼種とその組成を示す。これら各種のＣｒ含有鋼の残部には不可避的不純物が含まれる。以下、各成分について説明する。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
＜Ｓｉ：０．０５〜０．４質量％＞
Ｓｉは所要強度を確保するために、Ｃｒ含有に最低限必要とされる０．０５質量％を下限とするが、０．４質量％以上の過剰添加は、Ｃｒ含有鋼の延性を劣化させるとともに、本発明におけるＣｒの効果（すなわち、スケール剥離性の向上）を阻害するため、好ましくない。よって、Ｓｉ含有量を０．０５〜０．４質量％とする。
【００１８】
＜Ｃｒ：０．１〜２．０質量％＞
Ｃｒは、焼入れ性を高めて強度向上に寄与する。一般的にＣｒ含有鋼と呼ばれる鋼材では、０．１質量％以上のＣｒを含有している。このようなＣｒ含有鋼では、Ｃｒがスケールと地金界面に濃化され、サブスケールとしてＦｅＣｒ２Ｏ４が生成する。Ｃｒ含有量が過剰になると、このＦｅＣｒ２Ｏ４層の厚みが厚くなり、スケールの密着性が高まるために、スケール剥離性が低下する。また、Ｃｒを過剰に添加するとマルテンサイトが発生しやすくなる。よって、Ｃｒ含有量を０．１〜２．０質量％とする。
【００１９】
＜Ｃ：０．０２〜１．０質量％＞
Ｃは、Ｃｒ含有鋼の所要強度を確保するために、０．０２質量％以上の含有を必要とする。しかし、１．０質量％を超えてＣを添加すると、Ｃｒ含有鋼材の冷間加工性が低下する。よって、Ｃ含有量を０．０２〜１．０質量％とする。好ましくは、Ｃ含有量の上限を０．６質量％とする。
【００２０】
＜Ｍｎ：０．２質量％以上３．０質量％未満＞
Ｍｎは、Ｃｒ含有鋼の強度と靭性を確保するために、０．２質量％以上の含有を必要とする。しかし、Ｍｎ含有量が３．０質量％以上になると、靭性および溶接性を阻害する。よって、Ｍｎ含有量を０．２質量％以上３．０質量％未満とする。
【００２１】
＜Ｍｏ：０．３質量％以下＞
Ｍｏは、Ｃｒ含有鋼の強度を増す目的で必要に応じて添加してよいが、粒界偏析してＳｉ酸化物のファイアライト（Ｆｅ２ＳｉＯ４）が鋼中に浸潤するのを促進するのを阻止するために、０．３質量％以下とするのがよい。
【００２２】
＜その他の成分＞
Ｃｒ含有鋼における含有量を制御することが好ましい元素として、Ｐ，Ｓ，Ａｌ，Ｃａが挙げられる。Ｐは、不純物として結晶粒界に偏析するが、鍛造・圧延等により鍛伸方向に伸ばされると偏析帯を形成する。この偏析帯にはα−Ｆｅが形成され、Ｃはこの偏析帯から排除される。その結果、Ｐの偏析帯にはα−Ｆｅが帯状に形成され、他の部分にはパーライトが帯状に形成される。通常、これはフェライトバンドと呼ばれ、フェライトバンドが形成されると帯の直角方向の延性が低下する。この延性低下を防止するために、Ｐの含有量を０．００３質量％以下に抑制することが必要である。また、Ｓは、硫化物系介在物であるＭｎＳを形成してＣｒ含有鋼の熱間加工時に偏析し、Ｃｒ含有鋼を脆化させるので、割れを防止するために、その含有量を０．００５質量％以下に抑制することが必要である。
【００２３】
Ａｌは、Ｃｒ含有鋼の焼きならし加熱時にオーステナイト結晶粒の粗大化を図って添加される脱酸材であるが、０．０５質量％以上の過剰添加は、同結晶粒を不安定化してしまうため、好ましくない。よって、Ａｌ含有量を０．０５質量％未満に抑制することが好ましい。Ｃａは、Ｃｒ含有鋼の表面腐食にともなう界面雰囲気の水素イオン濃度増大を抑制し、Ｃｒ含有鋼の耐食性を向上するのに有効であるが、過剰添加は延性を劣化させることに注意して、添加される。
【００２４】
《加熱処理条件》
条件ａ〜ｃがデスケーリング処理の直前に行われる均熱処理の場合において、条件ａ〜ｃは、均熱処理の開始から終了までの全範囲において満たされていることは、好ましい。しかし、均熱処理は必ずしもこのような形態に限られるわけではなく、前記した条件ａ〜ｃは、均熱処理の少なくとも後半部において満たされていればよい。例えば、均熱処理の前半分では、Ｈ２Ｏ［水蒸気］とＯ２が含まれないＮ２雰囲気において処理を行い、後半分では条件ａ〜ｃを満たした処理を行う形態としてもよい。また、別の条件で均熱処理された鋼片に、さらに条件ａ〜ｃを満たした加熱処理を行うことで、スケール剥離性を高めることもできる。
【００２５】
＜条件ａ−加熱処理温度：１０００〜１１５０℃＞
鋼片の加熱処理温度（加熱炉を用いる場合の炉内温度）は、１０００〜１１５０℃とする。この温度は通常の鋼片加熱処理温度の範囲内であるために、より高温での加熱が可能となるように加熱炉を改造する等する必要がなく、そのため、設備コストの増加を回避することができる。また、１０００〜１１５０℃という温度で処理することにより、スケールロスを小さく抑えることができ、これによりエネルギー原単位を低く抑えて、単位質量当たりの製造コストを下げることができる。さらに、加熱処理温度が他の鋼材とは異なる場合には専用加熱炉が必要となるが、加熱処理温度を１０００〜１１５０℃とすることによって、多様な鋼種と区別して製造することを必要としない。したがって設備コストの増加を回避することができる。
【００２６】
なお、鋼片の加熱処理温度が１０００℃未満の場合には、十分な厚みを有する内方酸化層（後に詳細に説明する）が形成され難く、そのため、良好なスケール剥離性が得られない。一方、鋼片の加熱処理温度を１１５０℃超とした場合には、加熱炉の改造或いは専用加熱炉が必要となること、エネルギー原単位の増加による製造コストの増加、スケールロスが増大すること等のデメリットが大きい。
【００２７】
＜条件ｂ−加熱処理温度での保持時間：１〜３０分＞
前記した加熱処理温度で鋼片を加熱処理する場合、その保持時間が１分未満では、スケールの成長が不十分であり、十分なスケール剥離性が得られない。そのため、鋼片の表面性状を改善することが困難となる。保持時間を長くするとスケールが成長し、スケール剥離性が向上するが、必要以上に長時間の加熱処理を行うことは、エネルギー原単位の増加による製造コストの増加を招き、またスケールロスの増大を招くことから、好ましいものではない。そこで、保持時間の上限を３０分以内とする。よって、加熱処理温度での保持時間を１〜３０分とする。
【００２８】
＜条件ｃ−加熱処理雰囲気：Ｈ２Ｏ［水蒸気］：２５〜３０体積％、Ｏ２：１〜１０体積％、残部はＮ２及び不可避ガス成分＞
鋼片の加熱処理雰囲気の制御は極めて重要である。一般的に、スケールの厚みが厚くなるほど、スケールと地鉄との界面における応力値（応力の絶対値）が大きくなるために、スケール剥離性は向上し、スケールは剥がれやすくなる。しかしながら、Ｃｒ含有鋼のスケール剥離性は、スケール全体の厚みだけで決まるものではなく、スケールの構成要素である内方酸化層の影響を大きく受ける。
【００２９】
前記した条件ａ〜ｃにより鋼片を加熱処理することにより、鋼片の表面は酸化される。このような高温酸化によって生成するスケールは、「外方酸化層」と「内方酸化層」とに大別され、これらの生成には酸化機構の違いが大きく関与している。例えば、鉄鋼材料（Ｆｅ合金）が高温酸化される際には、スケール中をＦｅが外方拡散し、Ｏ（酸素）が内方拡散することにより、スケールが成長していく。このとき、Ｆｅの外方拡散が支配的な役割を果たして生成されるスケール層が「外方酸化層」であり、Ｏの内方拡散が支配的な役割を果たして生成されるスケール層が「内方酸化層」である。
【００３０】
Ｈ２Ｏ［水蒸気］を利用した高温酸化では、内方酸化層が生成しやすい。内方酸化層は、サブスケールの底部（地鉄側）に生成する酸化層であり、サブスケールが形成された後にサブスケールの底部の地鉄が酸化されることによって形成される。Ｃｒ含有鋼の場合、高温酸化によって生成するサブスケールは、通常、ＦｅＣｒ２Ｏ４を主成分とする。このサブスケールが形成された後には、サブスケールの底部の地鉄には合金元素であるＣｒの欠乏層が生じている。この欠乏層部にＯ（酸素）が拡散して酸化が起こると、Ｃｒが欠乏しているためにＦｅＣｒ２Ｏ４を主成分とするサブスケールは生成されず、ＦｅＯを主体とするスケールすなわち内方酸化層、が生成する。
【００３１】
サブスケールの主成分であるＦｅＣｒ２Ｏ４は地鉄との密着性が高く、一方、内方酸化層の主成分であるＦｅＯは地鉄との密着性が低い。そのため、ＦｅＯを主成分とする内方酸化層を生成させることにより、スケール剥離性を向上させることができる。
【００３２】
ＳＣＭ４３５鋼の場合には、後記する参考例に示されるように、加熱処理雰囲気におけるＨ２Ｏ［水蒸気］の含有量（以下「Ｈ２Ｏ濃度」という）が３０体積％までの範囲では、Ｈ２Ｏ濃度の増加に伴って、生成する外方酸化層と内方酸化層の厚みが共に厚くなっていき、これによってスケール剥離性は向上する。しかし、Ｈ２Ｏ濃度が３０体積％を超えると、外方酸化層の厚みはさらに厚くなるが、内方酸化層の厚みは減少傾向に転じるため、スケールロスが大きくなると共にスケール剥離性も低下する。そこで、ＳＣＭ４３５鋼について、スケールロスが少なく、特に優れたスケール剥離性が得られる条件である「Ｈ２Ｏ濃度：２５〜３０体積％」をＨ２Ｏ濃度条件とする。
【００３３】
このとき、Ｈ２Ｏ［水蒸気］の一部をＯ２で置き換えて、加熱処理雰囲気に供給しても、同様の効果が得られる。その場合は、加熱処理雰囲気に含まれる全酸素濃度（Ｏ濃度）が、Ｈ２Ｏ濃度に換算したときに、２５〜３０体積％になるようにすればよい。例えば、Ｈ２Ｏ濃度を２５体積％とし、かつ、Ｏ２の含有量（以下「Ｏ２濃度」という）を２体積％としたときの全酸素濃度は、Ｈ２Ｏ濃度を２９体積％とした場合と同じとなる。
【００３４】
これに対して、ＳＵＪ２鋼及びＳＣＲ４２０鋼では、共に、Ｎ２雰囲気に対してＨ２Ｏ［水蒸気］を２５〜３０体積％添加しただけでは、スケール剥離性は向上しない。これは、ＳＵＪ２鋼とＳＣＲ４２０鋼の場合には、ＳＣＭ４３５鋼と対比すると、Ｃｒ含有量の多い緻密なサブスケール層が生成していることに起因するものと考えられる。
【００３５】
すなわち、ＳＵＪ２鋼はＳＣＭ４３５鋼に比べて地鉄のＣｒ含有量が多いため（表１参照）、Ｃｒ含有量の多い緻密なサブスケール層が生成する。一方、ＳＣＲ４２０鋼とＳＣＭ４３５鋼とでは、地鉄のＣｒ含有量は同一であるが、ＳＣＲ４２０鋼にはＭｏが含まれていないのに対し、ＳＣＭ４３５鋼にはＭｏが０．１５〜０．３５質量％含まれている（表１参照）。Ｍｏの平衡酸素圧はＣｒの平衡酸素圧より若干高いが、大きな差はない。そのため、ＳＣＭ４３５鋼では、Ｃｒの酸化とＭｏの酸化によってＣｒとＭｏを含有するサブスケールが生成する。これに対してＳＣＲ４２０鋼では、Ｃｒ含有量の多いサブスケールが生成する。
【００３６】
ＳＣＭ４３５鋼のサブスケールは、緻密性とバリア性が低く、Ｏ（酸素）の内方拡散を抑制しないために、ＳＣＭ４３５鋼では地鉄との剥離性に優れるＦｅＯを主成分とする内方酸化層が生成する。一方、ＳＣＲ４２０鋼のサブスケールは、緻密性とバリア性が高く、Ｏの内方拡散が抑制されるために、地鉄との剥離性に優れる内方酸化層の生成が阻害される。このような内方酸化層の生成形態の差が、ＳＣＲ４２０鋼とＳＣＭ４３５鋼のスケール剥離性の違いとして現れるものと考えられる。
【００３７】
そこで、ＳＵＪ２鋼やＳＣＲ４２０鋼のように緻密でバリア性の高いサブスケールが形成される場合にも、剥離性に優れた内方酸化層を生成させるために、ＳＣＭ４３５鋼で良好なスケール剥離性が得られる「Ｈ２Ｏ濃度：２５〜３０体積％」の条件をベースに、さらにＯ２を１〜１０体積％含有させた雰囲気とする。
【００３８】
加熱処理雰囲気におけるＯ２濃度を増加させると、Ｈ２Ｏを構成しているＨ２による還元作用を強めることなく酸化作用のみを強めることができるため、スケールの成長速度が増加して、サブスケールの厚みが厚くなる。これにより、サブスケールにおけるＣｒ濃度が低下してサブスケールの緻密性とバリア性が低下し、Ｏ（酸素）の内方拡散が起こりやすくなるため、地鉄との剥離性に優れる内方酸化層が生成し、スケール剥離性が向上する。
【００３９】
このように、加熱処理雰囲気中のＯ２濃度を増加させることにより、内方酸化層の成長が促進され、これによってスケール剥離性が向上するが、必要以上に内方酸化層を成長させることは、エネルギー原単位の増加による製造コストの増加やスケールロスの増大を招く。このような観点から、Ｏ２濃度を１０体積％以内とする。一方、ＳＵＪ２鋼やＳＣＲ４２０鋼の場合、Ｏ２濃度が１体積％未満では、スケール剥離性を向上させる効果が実質的に得られない。そのため、Ｏ２濃度を１体積％以上とする。
【００４０】
なお、内方酸化層の厚みは、前記の通り、スケール剥離性に大きな影響を与えるが、スケール剥離性は内方酸化層の厚みのみで決まるものではなく、スケールと地鉄との界面の平滑性やＣｒ濃度等の影響を受ける。そのため、これらの影響をも考慮して、適宜、良好なスケール剥離性が得られるように、内方酸化層の厚みを制御することが好ましい。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合しうる範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４２】
《参考例，比較例１，２》
＜試料作製＞
表２に示す成分・組成の鋼材を溶製により作製した。ここで鋼種ＡはＳＣＭ４３５に、鋼種ＢはＳＣＲ４２０に、鋼種ＣはＳＵＪ２にそれぞれ相当する。参考例には鋼種Ａを、比較例１には鋼種Ｂを、比較例２には鋼種Ｃをそれぞれ用いた。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
溶製した各種鋼材から機械加工によりφ８．０ｍｍ×１２ｍｍの円柱状鋼片を採取し、試料（試験片）とした。その際、試料側面を、表面粗度がＲｍａｘ≦６μｍとなるように研磨した。このようにして作製した試料を、雰囲気制御型加熱処理装置に設置し、Ｎ２にＨ２Ｏを０〜４０体積％で変化させた雰囲気下で、１１００℃で３０分間保持した。この加熱処理（酸化処理）では、昇温速度及び降温速度を１０℃／分とした。また昇温及び降温過程の雰囲気はＮ２フローとし、１１００℃での保持過程においてのみ、Ｎ２＋Ｈ２Ｏ［水蒸気］混合ガス雰囲気とした。
【００４５】
＜スケール厚みの評価方法＞
加熱処理を行った試料を樹脂に埋め込み、切断して試料断面を露出させ、その試料断面を研磨した。この研磨面に現れたスケール断面をＳＥＭにより観察し、スケール厚みとしてスケールを構成している外方酸化層と内方酸化層のそれぞれの厚みを求めた。なお、スケール断面のＳＥＭ観察において、外方酸化層と内方酸化層を明確に区別するために、加熱処理前の試料の側面の一部に、マーカーとしてのＰｔ薄膜（膜厚：１μｍ）をスパッタリングにより形成し、スケール断面に認められるＰｔ薄膜（マーカー）から外側を外方酸化層とし、内側を内方酸化層とした。
【００４６】
〔参考例（鋼種Ａ：ＳＣＭ４３５）のスケール厚み〕
参考例について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度と外方酸化層厚み，内方酸化層厚みとの関係を図１に示す。参考例では、外方酸化層厚みはＨ２Ｏ濃度が３５体積％のときに最大値を示したが、内方酸化層厚みは、Ｈ２Ｏ濃度が３０体積％で最大値を示した。Ｈ２Ｏ濃度が２５〜３０体積％の範囲における内方酸化層厚みの変化は小さく、約４２μｍの厚みとなっていることがわかる。
【００４７】
〔比較例１（鋼種Ｂ：ＳＣＲ４２０）のスケール厚み〕
比較例１について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度とスケール厚みとの関係を図２に示す。比較例１では、外方酸化層厚みはＨ２Ｏ濃度が２５体積％のときに最大値をとるが、内方酸化層厚みはＨ２Ｏ濃度の影響を受け難いことがわかり、約１５μｍと薄く、かつ、一定となっていることがわかる。
【００４８】
〔比較例２（鋼種Ｃ：ＳＵＪ２）のスケール厚み〕
比較例２について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度とスケール厚みとの関係を図３に示す。比較例２では、外方酸化層厚みはＨ２Ｏ濃度が２５体積％のときに最大値をとるが、内方酸化層厚みはＨ２Ｏ濃度の影響を受け難いことがわかり、約１５μｍと薄く、かつ、一定となっていることがわかる。このように、鋼種Ｂ：ＳＣＲ４２０と鋼種Ｃ：ＳＵＪ２とでは、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度と内方酸化層厚みとの関係は、ほぼ同じであった。
【００４９】
＜スケール剥離性の評価方法＞
参考例及び比較例１，２に係る各試料について、スケール剥離性（逆に言えば、高温密着性）を次の通りに評価した。すなわち、最初に試料をカコーフォーマスターにセットし、真空中で昇温し、１０００℃に到達後に試料を圧縮してスケールを剥離させた。このときの試料圧縮条件は、圧縮歪率：５０％、歪速度：１０ｍｍ／ｓｅｃとし、圧縮後試料はＡｒ中で常温まで急冷し、剥離後のスケール生成（２次スケール生成）を抑制した。次に、こうして得られた試料に残留しているスケールの面積を求め、この面積の試料全面積に対する割合（以下「残留スケール面積率」という）を求めることにより定量化した。この残留スケール面積率の値が小さいほどスケール剥離性が良好であり、スケールの高温密着性は低いこととなる。
【００５０】
〔参考例（鋼種Ａ：ＳＣＭ４３５）のスケール剥離性〕
参考例について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度と残留スケール面積率との関係を図４に示す。参考例では、Ｈ２Ｏ濃度が２５〜３０体積％の範囲で、残留スケール面積率は３５％以下となり、優れたスケール剥離性が得られることが確認された。なお、残留スケール面積率は、Ｈ２Ｏ濃度が３０体積％のときに最小値をとり、このとき、スケール剥離性が最大となった。
【００５１】
〔比較例１（鋼種Ｂ：ＳＣＲ４２０）のスケール剥離性〕
比較例１について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度と残留スケール面積率との関係を図５に示す。比較例１の残留スケール面積率はＨ２Ｏ濃度にほとんど依存せず、Ｈ２Ｏ濃度が０〜４０体積％の範囲で良好なスケール剥離性は得られなかった。
【００５２】
〔比較例２（鋼種Ｃ：ＳＵＪ２）のスケール剥離性〕
比較例２について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度と残留スケール面積率との関係を図６に示す。比較例２の場合も、比較例１の場合と同様に、残留スケール面積率はＨ２Ｏ濃度にほとんど依存せず、Ｈ２Ｏ濃度が０〜４０体積％の範囲で良好なスケール剥離性は得られなかった。
【００５３】
《実施例１，２》
＜試料作製＞
鋼種Ｂ，Ｃ（表２参照）からそれぞれなる試料（鋼片）を、Ｎ２にＨ２Ｏ［水蒸気］を２５体積％添加し、さらにＯ２を０〜２０体積％の範囲で変化させた雰囲気にて、１１００℃で１分間保持した。この加熱処理によって得られた鋼種Ｂからなる試料を実施例１とし、鋼種Ｃからなる試料を実施例２とし、前記した参考例と同様にして内方酸化層厚みを求め、また、スケール剥離性を評価した。
【００５４】
＜内方酸化層厚み＞
実施例１，２について、処理雰囲気中のＯ２濃度と内方酸化層厚みとの関係を図７に示す。実施例１，２共に、Ｏ２濃度が１体積％未満の場合には、内方酸化層はほとんど生成していないが、Ｏ２濃度が１体積％以上になると、内方酸化層はその厚みが１０μｍ以上となるまでに成長し、さらにＯ２濃度の増加に伴って内方酸化層厚みは連続的に増加することが確認された。このような内方酸化層の成長は、スケール剥離性の向上（改善）を示唆する。
【００５５】
＜スケール剥離性＞
実施例１，２について、処理雰囲気中のＯ２濃度と残留スケール面積率との関係を図８に示す。実施例１，２共に、Ｏ２濃度が１体積％未満では残留スケール面積率は７０％以上と高く、スケール剥離性は不良であると判断された。しかし、Ｏ２濃度が１体積％以上になると、残留スケール面積率は６０％未満となり、良好なスケール剥離性を示した。特に、Ｏ２濃度が１０体積％以上の場合に残留スケール面積率は３５％以下となり、より良好なスケール剥離性を示すことが確認された。
【００５６】
《実施例３，４》
＜試料作製＞
鋼種Ｂ，Ｃ（表２参照）からそれぞれなる試料（鋼片）を、Ｎ２にＨ２Ｏ［水蒸気］を２５体積％添加し、さらにＯ２を０〜２０体積％の範囲で変化させた雰囲気にて、１１００℃で３０分間保持した。この加熱処理によって得られた鋼種Ｂからなる試料を実施例３とし、鋼種Ｃからなる試料を実施例４とし、前記した参考例と同様にして内方酸化層厚みを求め、また、スケール剥離性を評価した。
【００５７】
＜内方酸化層厚み＞
実施例３，４について、処理雰囲気中のＯ２濃度と内方酸化層厚みとの関係を図９に示す。実施例３，４共に、Ｏ２濃度が１体積％未満の場合には、内方酸化層はほとんど生成していないが、Ｏ２濃度が１体積％以上になると、内方酸化層はその厚みが２０μｍ以上となるまでに成長し、さらにＯ２濃度の増加に伴って内方酸化層厚みは連続的に増加することが確認された。このような内方酸化層の成長は、スケール剥離性の向上（改善）を示唆する。
【００５８】
＜スケール剥離性＞
実施例３，４について、処理雰囲気中のＯ２濃度と残留スケール面積率との関係を図１０に示す。実施例３，４共に、Ｏ２濃度が１体積％未満では残留スケール面積率は６０％以上となっており、スケール剥離性は不良であると判断された。しかし、Ｏ２濃度が１体積％以上になると、残留スケール面積率は４５％以下となり、良好なスケール剥離性を示した。特に、Ｏ２濃度が１０体積％以上の場合に残留スケール面積率は３５％以下となり、より良好なスケール剥離性を示すことが確認された。
【００５９】
《内方酸化層厚みとスケール剥離性に及ぼす加熱処理温度での保持時間の影響》
＜試料作製＞
鋼種Ｂ（ＳＣＲ４２０），Ｃ（ＳＵＪ２）（表２参照）からそれぞれなる試料（鋼片）を、Ｎ２にＨ２Ｏ［水蒸気］を２５体積％、Ｏ２を１０体積％それぞれ添加した雰囲気にて、１１００℃で０〜６０分間保持した。この保持時間を、以下、「等温保持時間」という。この加熱処理によって得られた鋼種Ｂからなる試料と鋼種Ｃからなる試料のそれぞれについて、前記した参考例と同様にして内方酸化層厚みを求め、また、スケール剥離性を評価した。
【００６０】
＜内方酸化層厚み＞
等温保持時間と内方酸化層厚みとの関係を図１１に示す。鋼種Ｂ（ＳＣＲ４２０），Ｃ（ＳＵＪ２）共に、等温保持時間を１分以上とすることによって内方酸化層の成長が認められ、等温保持時間が長くなるにしたがって、内方酸化層厚みは等温保持時間に対してほぼ直線的に増加することが確認された。等温保持時間が長くなるほどエネルギー原単位が増加し、また、スケールロスも増大するため、良好なスケール剥離性が得られる限りにおいて、等温保持時間は短いことが望ましい。そのため、等温保持時間は、後記の通り、スケール剥離性に基づいて決定する。
【００６１】
＜スケール剥離性＞
等温保持時間と残留スケール面積率との関係を図１２に示す。鋼種Ｂ（ＳＣＲ４２０），Ｃ（ＳＵＪ２）共に、等温保持時間を１分以上とすることにより、残留スケール面積率は３５％以下となり、良好なスケール剥離性を示すことが確認された。等温保持時間が長くなるにしたがって残留スケール面積率は減少し、スケール剥離性が向上していることがわかるが、３０分よりも長い等温保持時間における残留スケール面積率の減少率（グラフの勾配）は大きなものではない。そのため、等温保持時間を３０分以内とすることで、スケール剥離性，スケールロス及びエネルギー原単位のバランスの取れた処理を行うことができると判断した。
【００６２】
《内方酸化層厚みとスケール剥離性に及ぼす加熱処理温度の影響》
＜試料作製＞
鋼種Ｂ（ＳＣＲ４２０），Ｃ（ＳＵＪ２）（表２参照）からそれぞれなる試料（鋼片）を、Ｎ２にＨ２Ｏ［水蒸気］を２５体積％、Ｏ２を１０体積％それぞれ添加した雰囲気にて、９００〜１２００℃で３０分間保持した。この加熱処理によって得られた鋼種Ｂからなる試料と鋼種Ｃからなる試料のそれぞれについて、前記した参考例と同様にして内方酸化層厚みを求め、また、スケール剥離性を評価した。
【００６３】
＜内方酸化層厚み＞
加熱処理温度と内方酸化層厚みとの関係を図１３に示す。鋼種Ｂ（ＳＣＲ４２０），Ｃ（ＳＵＪ２）共に、加熱処理温度が１０００℃未満の場合には、十分な内方酸化層が形成されないことがわかる。加熱処理温度を１０００℃以上とすることにより内方酸化層の成長が認められ、加熱処理温度を高くするにしたがって、内方酸化層厚みは厚くなることが確認された。この結果から、加熱処理温度が１１５０℃超の場合にも良好なスケール剥離性が得られることがわかるが、加熱処理温度を１１５０℃超とした場合には、エネルギー原単位が増加し、スケールロスが増大する等のデメリットを考慮し、本発明では、加熱処理温度を１０００〜１１５０℃とする。
【００６４】
＜スケール剥離性＞
加熱処理温度と残留スケール面積率の関係を図１４に示す。１０００℃で加熱処理した場合における鋼種Ｂ（ＳＣＲ４２０）の残留スケール面積率は約３７％（グラフ（線）が示す値）であり、鋼種Ｃ（ＳＵＪ２）残留スケール面積率は約４２％（グラフ（線）が示す値）であり、共に良好なスケール剥離性を示した。そして、加熱処理温度が高くなるにしたがって残留スケール面積率は減少し、スケール剥離性が向上することが確認された。なお、加熱処理温度を１０００〜１１５０℃としたのは、前記した加熱処理温度と内方酸化層厚みとの関係についての説明の際に既に述べた通りである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】参考例について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度とスケール厚みとの関係を示す図である。
【図２】比較例１について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度とスケール厚みとの関係を示す図である。
【図３】比較例２について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度とスケール厚みとの関係を示す図である。
【図４】参考例について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度と残留スケール面積率との関係を示す図である。
【図５】比較例１について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度と残留スケール面積率との関係を示す図である。
【図６】比較例２について、処理雰囲気中のＨ２Ｏ濃度と残留スケール面積率との関係を示す図である。
【図７】実施例１，２について、処理雰囲気中のＯ２濃度と内方酸化層厚みとの関係を示す図である。
【図８】実施例１，２について、処理雰囲気中のＯ２濃度と残留スケール面積率との関係を示す図である。
【図９】実施例３，４について、処理雰囲気中のＯ２濃度と内方酸化層厚みとの関係を示す図である。
【図１０】実施例３，４について、処理雰囲気中のＯ２濃度と残留スケール面積率との関係を示す図である。
【図１１】等温保持時間と内方酸化層厚みとの関係を示す図である。
【図１２】等温保持時間と残留スケール面積率との関係を示す図である。
【図１３】高温加熱処理温度と内方酸化層厚みとの関係を示す図である。
【図１４】高温加熱処理温度と残留スケール面積率との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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